DE29814078U1 - Sintered heat sink - Google Patents
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Description
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Gesinterter KühlkörperSintered heat sink
Die Erfindung betrifft einen, von Kühlmittel durchströmbaren, gesinterten Kühlkörper.The invention relates to a sintered heat sink through which coolant can flow.
Übliche Kühlkörper bestehen aus Strangpressprofilen aus Aluminium oder aus Verbundsystemen aus Aluminium, wobei auf einem der Wärmeverteilung dienendem Grundkörper Rippen angeordnet sind. Diese Kühlkörper erreichen nur ein Oberflächen/Volumenverhältnis von ca. maximal 8 cm2 wärmetauschende Oberfläche pro 1 cm3 Kühlkörpervolumen. Die damit erzielbare Kühlwirkung ist relativ gering. Die Abführung großer Wärmemengen erfordert extrem große Kühlkörper. Neben dem hohen Platzbedarf ist vor allem das hohe Gewicht der Kühlkörper nachteilig.Conventional heat sinks consist of extruded aluminum profiles or aluminum composite systems, with fins arranged on a base body that serves to distribute heat. These heat sinks only achieve a surface/volume ratio of approximately 8 cm 2 of heat-exchanging surface per 1 cm 3 of heat sink volume. The cooling effect that can be achieved is relatively low. The dissipation of large amounts of heat requires extremely large heat sinks. In addition to the large amount of space required, the high weight of the heat sinks is a particular disadvantage.
Im Gebrauchsmuster G 91 02 117 ist ein Kühlkörper beschrieben, der aus einem Block gesinterten Materials besteht. Ein solcher Kühlkörper hat den wesentlichen Nachteil, daß die Wärmeabfuhr nicht gleichmäßig erfolgt. So wird der Sinterblock auf der Seite auf welcher das Kühlmedium in den Sinterblock eintritt besser gekühlt, als auf der Seite auf welcher das Kühlmedium austritt, weil die Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Kühlmedium beim Durchströmen des Sinterblocks abnimmt. Außerdem ist bei Verwendung von Luft als Kühlmedium diese Lösung wegen des hohen Strömungswiderstandes nur nutzbar, wenn der Sinterblock aus relativ groben Sintermaterial ab etwa 190 um Partikelgröße gebildet ist und das Kühlmedium mit hohem Druck durch den Kühlkörper gepreßt wird.Utility model G 91 02 117 describes a heat sink that consists of a block of sintered material. Such a heat sink has the major disadvantage that heat is not dissipated evenly. The sintered block is cooled better on the side on which the cooling medium enters the sintered block than on the side on which the cooling medium exits, because the temperature difference between the heat sink and the cooling medium decreases as it flows through the sintered block. In addition, when using air as the cooling medium, this solution can only be used due to the high flow resistance if the sintered block is made of relatively coarse sintered material with a particle size of around 190 μm and the cooling medium is pressed through the heat sink at high pressure.
In Gebrauchsmuster DE 297 14 730 ist ein Kühlkörper beschrieben, bei dem an Stelle eines Sinterblocks eine dünnwandige Sintermatrix verwendet wird. Dadurch kann unter Verwendung von Sinterpulvern mit einer kleineren Partikelgröße das Oberflächen/Volumenverhältnis des Kühlkörpers wesentlich vergrößert und der Strömungswiderstand erheblieh reduziert werden. Ein weiterer Effekt ist, daß die Temperaturverteilung im Kühlkörper wesentlich gleichmäßiger als an einem massiven Sinterblock ist. Für diese, insbesondere für die KühlungUtility model DE 297 14 730 describes a heat sink in which a thin-walled sinter matrix is used instead of a sinter block. This means that the surface/volume ratio of the heat sink can be increased significantly and the flow resistance can be reduced considerably by using sinter powders with a smaller particle size. A further effect is that the temperature distribution in the heat sink is much more even than in a solid sinter block. For this, in particular for cooling
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von elektronischen Bauelementen vorgesehenen Kühlkörper, welche mit Lüfter mit niedrigem Druck aktiv belüftet werden, läßt sich in der Praxis ein Oberflächen/Volumenverhältnis von maximal 25 bis 30 cm2/cm3 erreichen.In practice, a maximum surface/volume ratio of 25 to 30 cm 2 /cm 3 can be achieved with heat sinks provided for electronic components, which are actively ventilated with low-pressure fans.
Da die Wärmeleitfähigkeit eines solchen Kühlkörpers in der dünnen Sintermatrix sehr begrenzt ist, wird die durch das Kühlmedium abgeführte Wärmemenge mit zunehmender Entfernung von der Wärmequelle schnell das Maß, der dem jeweiligen Teil des Kühlkörpers über die Sintermatrix zuführbaren Wärmemenge, erreichen. Ist dieser Ausgleich aber gegeben, kann an diesem Teil des Kühlkörpers keine weitere Wärme abgeführt werden. Durch diese Tatsache ist die Bauhöhe des Kühlkörpers und damit, weil das Kühlkörpervolumen in den anderen Dimensionen nicht beliebig vergrößert werden kann, auch die übertragbare Wärmeleistung stark begrenzt.Since the thermal conductivity of such a heat sink in the thin sintered matrix is very limited, the amount of heat dissipated by the cooling medium will quickly reach the amount of heat that can be supplied to the respective part of the heat sink via the sintered matrix as the distance from the heat source increases. However, if this balance is achieved, no further heat can be dissipated from this part of the heat sink. Due to this fact, the height of the heat sink and thus, because the heat sink volume cannot be increased arbitrarily in the other dimensions, the transferable heat output is also severely limited.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen gesinterten Kühlkörper zu schaffen, bei dem die Wärmeübertragung wesentlich verbessert, eine leichte und kompakte Bauweise erhalten und die Konfigurationsmöglichkeit an unterschiedliche Einsatzbedingungen auf einfache Weise ermöglicht wird.The invention is based on the object of creating such a sintered heat sink in which the heat transfer is significantly improved, a light and compact design is obtained and the configuration option for different operating conditions is made possible in a simple manner.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Kühlkörpers an.According to the invention, the object is achieved with the features of the claim. The subclaims specify advantageous embodiments of the heat sink according to the invention.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer dünnen gesinterten Matrix in Form einer Vielzahl von einseitig geschlossenen Kanälen, wobei jeweils neben- und übereinander für das Kühlmedium zur Eintrittsöffnung hin offene Kanäle neben zur Austrittsöffnung hin offenen Kanälen liegen, wird eine deutliche Steigerung des Oberflächen/ Volumenverhältnisses des Kühlkörpers bei gleichzeitiger Senkung des Strömungswiderstandes erreicht. Dies ergibt sich daraus, daß die Kanäle im Vergleich zu der bekannten mäanderförmigen Matrix im gleichen Volumen nahezu die doppelte Kühlkörperoberfläche und für das Kühlmedium annähernd der doppelte Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht.The inventive arrangement of a thin sintered matrix in the form of a large number of channels closed on one side, with channels open to the inlet opening for the cooling medium next to channels open to the outlet opening, results in a significant increase in the surface/volume ratio of the heat sink while simultaneously reducing the flow resistance. This is due to the fact that the channels have almost twice the heat sink surface area and almost twice the flow cross-section available for the cooling medium in the same volume compared to the known meander-shaped matrix.
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Der erfindungsgemäße Kühlkörper kann in zwei Grundformen hergestellt werden. In der ersten Grundform ist der Kühlkörper kubisch ausgeführt, d. h. die Sintermatrix ist, auf einer als Träger- und Wärmeverteilungsplatte dienenden Grundplatte, mit welcher die Verbindung zu der Wärmequelle hergestellt ist, kubisch aufgebaut. Die Kanäle in der Sintermatrix verlaufen in dieser Variante parallel. In dieser Ausführung, ist der erfindungsgemäße Kühlkörper für praktisch alle herkömmlichen Anwendungsfälle hervorragend geeignet in denen bisher Kühlkörper aus Strangpressprofilen oder ähnliche Konstruktionen eingesetzt wurden. In vielen Fällen wird es möglich sein, bei einer Verkleinerung des Kühlkörpervolumens auf Zwangsbelüftungsmaßnahmen zu verzichten, da mit der natürlichen Konvektion eine ausreichende Wärmeübertragung erfolgen kann. Es ist aber auch bei entsprechender Auslegung des Kühlkörpers möglich, durch den Einsatz von Lüfter, Gebläsen oder gar Kompressoren mit Kühlmedien höheren Drucks, wesentlich größere Wärmemengen bei relativ kleinem Kühlkörpervolumen zu übertragen.The heat sink according to the invention can be manufactured in two basic forms. In the first basic form, the heat sink is cubic, i.e. the sinter matrix is cubically constructed on a base plate that serves as a carrier and heat distribution plate and with which the connection to the heat source is established. The channels in the sinter matrix run parallel in this variant. In this design, the heat sink according to the invention is excellently suited for practically all conventional applications in which heat sinks made of extruded profiles or similar constructions have previously been used. In many cases, it will be possible to dispense with forced ventilation measures if the heat sink volume is reduced, since sufficient heat transfer can take place with natural convection. However, it is also possible, with an appropriate design of the heat sink, to transfer significantly larger amounts of heat with a relatively small heat sink volume by using fans, blowers or even compressors with cooling media at higher pressure.
In der zweiten Grundform ist der Kühlkörper in Form eines Zylinderringes ausgebildet, d. h. die Sintermatrix ist über einer als Träger- und Wärmeverteilungsplatte dienenden Grundplatte in Form eines Zylinderringes aufgebaut. Die Kanäle in der Sintermatrix verlaufen in dieser Variante in einer zur Grundplatte parallelen Ebene radial, ggf. auch unter einem Winkel zur Radialen. In der Regel wird bei dieser Grundform das Kühlmedium über die innen liegende Eintrittsöffnung des Zylinderringes zugeführt und über dessen Außendurchmesser abgegeben. Die Weite der Kanäle nimmt bei dieser Bauform mit dem Durchmesser zu.In the second basic form, the heat sink is designed in the form of a cylindrical ring, i.e. the sinter matrix is built over a base plate in the form of a cylindrical ring that serves as a support and heat distribution plate. In this variant, the channels in the sinter matrix run radially in a plane parallel to the base plate, possibly also at an angle to the radial. As a rule, in this basic form, the cooling medium is supplied via the inner inlet opening of the cylindrical ring and discharged via its outer diameter. In this design, the width of the channels increases with the diameter.
Dies ist insbesondere bei der Zwangsbelüftung des Kühlkörpers mit höherem Druck günstig, da durch die Erweiterung des Strömungsquerschnittes zur Austrittsöffnung hin der Druck des Kühlmedium gesenkt und damit der Geräuschpegel wesentlich reduziert werden kann.This is particularly advantageous when forced ventilation of the heat sink is used with higher pressure, since the expansion of the flow cross-section towards the outlet opening lowers the pressure of the cooling medium and thus the noise level can be significantly reduced.
Insbesondere für die Anwendung mit Lüftern und Gebläsen, welche regelmäßig das Kühlmedium in eine stärkere Rotationsbewegung versetzen, ist es sinnvoll, daß die Sintermatrixwände nicht radial sondern unter einem Winkel zu Radialen verlaufen, da dadurchEspecially for use with fans and blowers, which regularly cause the cooling medium to rotate more strongly, it is advisable that the sinter matrix walls do not run radially but at an angle to radials, as this
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Druckverluste vermieden werden können. Die Sintermatrixwände bilden in bevorzugten Ausführungsvarianten am Schnittpunkt mit der Zylinderringinnenfläche einen Winkel zwischen 10° bis 80° zu einer an dieser Stelle verlaufenden Radialen der zylinderringförmigen Anordnung. Pressure losses can be avoided. In preferred design variants, the sinter matrix walls form an angle of between 10° and 80° at the intersection with the inner surface of the cylinder ring to a radial line of the cylinder ring-shaped arrangement running at this point.
Wird ein solcher Kühlkörper auf einem zu kühlenden rotierenden Bauteil befestigt, wirkt dieser selbst zugleich als Gebläse, wodurch sich zusätzliche Maßnahmen zur Zwangsbelüftung erübrigen. Für diese Variante ist es weiterhin vorteilhaft, die Sintermatrixwände wie an einem radialen Gebläse anzuordnen. Die Winkel zwischen den Sintermatrixwänden und Radialen der zylinderringförmigen Anordnung werden dabei mit größer werdendem Durchmesser kleiner.If such a heat sink is attached to a rotating component that is to be cooled, it also acts as a fan, which means that additional measures for forced ventilation are unnecessary. For this variant, it is also advantageous to arrange the sinter matrix walls like a radial fan. The angles between the sinter matrix walls and the radials of the cylindrical ring-shaped arrangement become smaller as the diameter increases.
Je nach Anwendungsfall sind die gesinterten Kühlkörper aus Sinterpulver mit einer Partikelgröße von 20 bis 600 um aufgebaut, wobei die beste Reproduzierbarkeit mit kugelförmigen Partikeln erreicht wird. Als Sintermaterial ist Aluminium, Kupfer oder Silber besonders geeignet. Als vorteilhafte Dimensionen für die Sintermatrixwände haben sich Wandstärken von 0,5 bis 3 mm und Abstände zwischen den Sintermatrixwänden von 0,5 bis 10 mm erwiesen. Mit neueren Sinterverfahren und entsprechend geringen Partikelgrößen sind derartige Strukturen mit minimalen Abmessungen von Kanalwand und Abstand von 500 pm zu erreichen. Es kann dabei ein Oberflächen/Volumenverhältnis bis maximal 500 cm2/cm3 erreicht werden.Depending on the application, the sintered heat sinks are made of sintered powder with a particle size of 20 to 600 μm, with the best reproducibility being achieved with spherical particles. Aluminum, copper or silver are particularly suitable as sintering materials. Wall thicknesses of 0.5 to 3 mm and distances between the sintered matrix walls of 0.5 to 10 mm have proven to be advantageous dimensions for the sintered matrix walls. With newer sintering processes and correspondingly small particle sizes, such structures can be achieved with minimal channel wall dimensions and a distance of 500 μm. A surface/volume ratio of up to 500 cm 2 /cm 3 can be achieved.
Es hat sich auch als günstig erwiesen, daß zur Verbesserung des Wärmeübergangs von der Grundplatte auf die Sintermatrix diese auf der Grundplatte aufgesintert ist.It has also proven to be advantageous to sinter the sinter matrix onto the base plate in order to improve the heat transfer from the base plate to the sinter matrix.
Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Sintermatrix selbst dienen weitere Ausgestaltungen der Erfindung.Further embodiments of the invention serve to improve the thermal conductivity of the sintered matrix itself.
In einer Variante sind die senkrecht zur Grundplatte angeordneten Sintermatrixwände im Bereich der Grundplatte dicker ausgeführt, als in deren weiter von der Grundplatte entfernten Bereichen. Bei einem kontinuierlichen Verlauf ergibt sich ein keilförmiger Querschnitt der Sintermatrixwand.In one variant, the sinter matrix walls arranged perpendicular to the base plate are thicker in the area of the base plate than in the areas further away from the base plate. If they are continuous, the sinter matrix wall has a wedge-shaped cross section.
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In einer weiteren Variante sind die Sintermatrixwände aus mehreren Schichten mit Sinterpulver unterschiedlicher Partikelgröße gebildet. Der an der Grundplatte anliegende Bereich weist die kleinsten und weiter entfernte Schichten größere Partikel auf.In another variant, the sinter matrix walls are made up of several layers of sinter powder with different particle sizes. The area adjacent to the base plate has the smallest particles and the layers further away have larger particles.
Schließlich sind in einer dritten Variante im Bereich der Grundplatte die Partikel der Sintermatrix in höherem Maße miteinander versintert, als in Bereichen, die weiter von der Grundplatte entfernt sind.Finally, in a third variant, the particles of the sinter matrix are sintered together to a greater extent in the area of the base plate than in areas that are further away from the base plate.
Durch diese Maßnahmen wird die Wärmeverteilung in der Sintermatrix verbessert. Die Bauhöhe des gesinterten Kühlkörpers, in welcher eine Wärmeabführung möglich ist, kann damit vergrößert werden. Natürlich können alle drei vorgenannten Varianten zur Verbesserung der Wärmeleitung der Sintermatrix miteinander kombiniert zur Anwendung kommen. Zum Beispiel kann bei einer solchen Sintermatrixwand ein keilförmiger Querschnitt realisiert sein, in dessen unteren, der Grundplatte am nächsten liegenden Bereich, die Versinterung höher ist, als in den darüber liegenden Bereichen.These measures improve the heat distribution in the sintered matrix. The height of the sintered heat sink, in which heat dissipation is possible, can thus be increased. Of course, all three of the above-mentioned variants can be used in combination to improve the heat conduction of the sintered matrix. For example, a wedge-shaped cross-section can be realized in such a sintered matrix wall, in whose lower area, closest to the base plate, the sintering is higher than in the areas above.
Unter Nutzung dieser Maßnahmen ist es zum Beispiel möglich, mit einem kubisch ausgeführten Kühlkörper von 585 cm3 Volumen, unter den nachfolgenden Bedingungen eine Wärmeleistung von 320 W abzuführen.Using these measures, it is possible, for example, to dissipate a heat output of 320 W with a cubic heat sink of 585 cm 3 volume under the following conditions.
Material: versintertes Kupfer, Partikelgröße 400 pmMaterial: sintered copper, particle size 400 pm
Kühlluftdruck: 200 PaCooling air pressure: 200 Pa
Kühlkörpertemperatur: 40 0CHeatsink temperature: 40 0 C
Umgebungstemperatur: 20 0CAmbient temperature: 20 0 C
In einer anderen Variante ist es möglich, mit einem kubisch ausgeführten Kühlkörper von 18 cm3 Volumen, unter den nachfolgenden Bedingungen eine Wärmeleistung von 110 W abzuführen.In another variant, it is possible to dissipate a heat output of 110 W with a cubic heat sink of 18 cm3 volume under the following conditions.
Material: versintertes Kupfer, Partikelgröße 40 pmMaterial: sintered copper, particle size 40 pm
Kühlluftdruck: 6 barCooling air pressure: 6 bar
Kühlkörpertemperatur: 4O0CHeatsink temperature: 4O 0 C
Umgebungs temperatur: 2O0CAmbient temperature: 2O 0 C
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Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist, insbesondere wenn eine Zwangsbelüftung mit Kühlmedium höheren Drucks erfolgen soll, weiterhin dadurch möglich, daß zur Entspannung und Verteilung des Kühlmediums die Sintermatrix an der Eintrittsöffnung eine angesinterte Kammer aufweist. Wird das Kühlmedium von einem Kompressor oder einer anderen Druckluftquelle bereitgestellt, ist es zweckmäßig, daß die Kammer ein angesintertes Anschlußelement für das Kühlmedium aufweist.A further improvement of the cooling body according to the invention is possible, particularly if forced ventilation with a cooling medium at a higher pressure is to take place, in that the sinter matrix has a sintered chamber at the inlet opening for the relaxation and distribution of the cooling medium. If the cooling medium is provided by a compressor or another compressed air source, it is expedient for the chamber to have a sintered connection element for the cooling medium.
Die Erfindungen sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The inventions will be explained in more detail below using exemplary embodiments.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The accompanying drawings show:
Fig. 1 einen gesinterten Kühlkörper in kubischer Form als PrinzipskizzeFig. 1 a sintered heat sink in cubic form as a schematic diagram
Fig. 2 einen gesinterten Kühlkörper in Form eines Zylinderringes als PrinzipskizzeFig. 2 a sintered heat sink in the form of a cylinder ring as a schematic diagram
Fig. 3 eine keilförmige Ausführung einer einzelnen Sintermatrixwand des Kühlkörpers,Fig. 3 a wedge-shaped design of a single sinter matrix wall of the heat sink,
Fig. 4 die Ausführung einer einzelnen Sintermatrixwand des Kühlkörpers aus Sintermaterial unterschiedlicher Partikelgröße,Fig. 4 the design of a single sinter matrix wall of the heat sink made of sintered material of different particle sizes,
Fig. 5 die Ausführung einer einzelnen Sintermatrixwand des Kühlkörpers mit unterschiedlichem Grad der Versinterung undFig. 5 the design of a single sinter matrix wall of the heat sink with different degrees of sintering and
Fig. 6 einen gesinterten Kühlkörper mit angesinterter Entspan-Fig. 6 a sintered heat sink with sintered relaxation
nungs- und Verteilerkammer und Druckluft-Anschlußelement.voltage and distribution chamber and compressed air connection element.
In Fig. 1 ist ein gesinterter Kühlkörper in kubischer Form in einer Prinzipskizze dargestellt. Auf einer, aus Kupfer bestehenden Grundplatte 1, die als Träger- und Wärmeverteilungsplatte dient, ist eine kubische Sintermatrix 2 aus Kupfer angeordnet, deren eine Seite als Eintrittsöffnung 3 und dessen gegenüber liegende Seite als Austrittsöffnung 4 für die Kühlluft dient. Mit einer Vielzahl von gitterartig, angeordneten senkrecht zur Grundplatte 1 verlaufenden Sintermatrixwänden 7 und parallel zur Grundplatte 1 verlaufendenIn Fig. 1, a sintered cooling body in cubic form is shown in a schematic diagram. A cubic sintered matrix 2 made of copper is arranged on a base plate 1 made of copper, which serves as a carrier and heat distribution plate, one side of which serves as an inlet opening 3 and the opposite side as an outlet opening 4 for the cooling air. With a large number of sintered matrix walls 7 arranged in a grid-like manner and running perpendicular to the base plate 1 and parallel to the base plate 1
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Sintermatrixdecken 8 sind neben- und übereinander liegende Kanäle und 6 gebildet, von denen nur einige wenige beispielhaft dargestellt sind. Die Kanäle 5 sind zur Eintrittsöffnung 3 hin offen und zur Austrittsöffnung 4 mit Sintermatrixböden 9 verschlossen. Die Kanäle 6 sind zur Austrittsöffnung 4 hin offen und an der Eintrittsöffnung 3 mit Sintermatrixböden 9 verschlossen. Durch die neben- und übereinander abwechselnde Anordnung von Kanälen 5 und 6 kann die Kühlluft, welche auf der Eintrittsöffnung 3 in die Kanäle 5 einströmt, über die Sintermatrixwände 7 und Sintermatrixdecken 8 eines Kanals in die jeweils benachbarten Kanäle 6 und von dort zur Austrittsöffnung 4 strömen. Die Kühlluft kann aber auch von der Eintrittsöffnung 3 über die eingangsseitigen Sintermatrixböden 9 direkt in die Kanäle 6 einströmen, bzw. aus den Kanälen 5 über die ausgangsseitigen Sintermatrixböden 9 direkt zur Austrittsöffnung 4 gelangen.Sinter matrix ceilings 8 are formed by channels 6 lying next to and on top of each other, of which only a few are shown as examples. The channels 5 are open towards the inlet opening 3 and are closed at the outlet opening 4 with sinter matrix floors 9. The channels 6 are open towards the outlet opening 4 and are closed at the inlet opening 3 with sinter matrix floors 9. Due to the alternating arrangement of channels 5 and 6 next to and on top of each other, the cooling air, which flows into the channels 5 at the inlet opening 3, can flow over the sinter matrix walls 7 and sinter matrix ceilings 8 of a channel into the adjacent channels 6 and from there to the outlet opening 4. However, the cooling air can also flow from the inlet opening 3 via the inlet-side sinter matrix floors 9 directly into the channels 6, or from the channels 5 via the outlet-side sinter matrix floors 9 directly to the outlet opening 4.
Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 1 nur an einem Kanal 5 die zur Grundplatte 1 parallelen Sintermatrixdecken 8 und an einem zur Austrittsöffnung 4 offenen Kanal 6 zur Grundplatte 1 senkrecht angeordneten Sintermatrixwände 7 dargestellt. Der Strömungsweg der Kühlluft von der Eintrittsöffnung 3 zur Austrittsöffnung 4 ist mit den Stromlinien 10 bis 15 versinnbildlicht. Die Wärmeübertragung von der Grundplatte 1 erfolgt sowohl über die senkrecht auf der Grundplatte 1 stehenden Sintermatrixwände 7, als auch über die parallel zur Grundplatte 1 angeordneten Sintermatrixdecken 8.For the sake of clarity, Fig. 1 only shows the sinter matrix covers 8 parallel to the base plate 1 on one channel 5 and the sinter matrix walls 7 arranged perpendicular to the base plate 1 on a channel 6 open to the outlet opening 4. The flow path of the cooling air from the inlet opening 3 to the outlet opening 4 is symbolized by the flow lines 10 to 15. The heat transfer from the base plate 1 takes place both via the sinter matrix walls 7 standing perpendicular to the base plate 1 and via the sinter matrix covers 8 arranged parallel to the base plate 1.
In Fig. 2 ist das Prinzip eines erfindungsgemäßen gesinterten Kühlkörpers in Form eines Zylinderringes dargestellt. Zur Vereinfachung ist in der Fig. 2 jedoch nur ein Querschnitt durch eine solche zylinderringförmige Sintermatrix 16 abgebildet. Diese weist auf der Zylinderringinnenfläche die Eintrittsöffnung 17 und auf der Zylinderringaußenfläche die Austrittsöffnung 18 für die Kühlluft auf. Die Sintermatrixwänden 7 sind in dieser Sintermatrix 16 so angeordnet, daß sie die Kanäle 19 und 20 bilden. Die Kanäle 19 sind auf der Seite der Eintrittsöffnung 17 offen und zur Austrittsöffnung 18 hin mit Sintermatrixböden 21 verschlossen. Die Kanäle 20 sind dagegen auf der Seite der Austrittsöffnung 18 offen und zur Eintrittsöffnung hin mit Sintermatrixböden 21 verschlossen.Fig. 2 shows the principle of a sintered cooling body according to the invention in the form of a cylindrical ring. However, for the sake of simplicity, Fig. 2 only shows a cross section through such a cylindrical ring-shaped sinter matrix 16. This has the inlet opening 17 on the inner surface of the cylindrical ring and the outlet opening 18 for the cooling air on the outer surface of the cylindrical ring. The sinter matrix walls 7 are arranged in this sinter matrix 16 in such a way that they form the channels 19 and 20. The channels 19 are open on the side of the inlet opening 17 and closed off towards the outlet opening 18 with sinter matrix bottoms 21. The channels 20, on the other hand, are open on the side of the outlet opening 18 and closed off towards the inlet opening with sinter matrix bottoms 21.
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Die Sintermatrix 16 weist, analog zu der in Fig. 1 beschriebenen kubischen Form, eine Vielzahl von gitterartig neben- und übereinander liegenden Kanälen 19 und 20 auf, wobei jede radiale Ebene von Kanälen 19 und 20 gegenüber den darunter und darüber liegenden Ebenen durch parallel verlaufende, hier nicht näher dargestellte, Sintermatrixdecken getrennt ist. Die in axialer Richtung angeordneten Sintermatrixwände 7 sind durch alle Ebenen hindurch stets deckungsgleich angeordnet.The sinter matrix 16 has, analogously to the cubic form described in Fig. 1, a plurality of channels 19 and 20 arranged next to and above one another in a grid-like manner, with each radial plane of channels 19 and 20 being separated from the planes below and above by parallel sinter matrix covers (not shown in detail here). The sinter matrix walls 7 arranged in the axial direction are always arranged congruently throughout all planes.
Ein zur Eintrittsöffnung 17 hin offener Kanal 19 ist so stets über einem zur Austrittsöffnung 18 hin offenen Kanal 20 angeordnet. Durch die neben- und übereinander abwechselnde Anordnung von Kanälen 19 und 20 kann die Kühlluft, welche über die Eintrittsöffnung 17 in die Kanäle 19 einströmt über die Sintermatrixwände 7 in die jeweils benachbarten Kanäle 20 und von dort zur Austrittsöffriung 18 der kreisringförmigen Sintermatrix 16 strömen. Außerdem tritt die Kühlluft über die am äußeren Umfang der zylinderringförmigen Sintermatrix 16 liegenden stirnseitigen Sintermatrixböden 21 direkt aus.A channel 19 open towards the inlet opening 17 is thus always arranged above a channel 20 open towards the outlet opening 18. Due to the alternating arrangement of channels 19 and 20 next to and above one another, the cooling air which flows into the channels 19 via the inlet opening 17 can flow over the sinter matrix walls 7 into the adjacent channels 20 and from there to the outlet opening 18 of the annular sinter matrix 16. In addition, the cooling air exits directly via the front sinter matrix bases 21 located on the outer circumference of the cylindrical ring-shaped sinter matrix 16.
Die Kanäle 19 und 20 verlaufen bei diesem Ausführungsbeispiel nicht radial. Zur Vermeidung von Druckverlusten durch die Rotation der vom nicht näher dargestellten Ventilator kommenden Luft, weisen die Sintermatrixwände 7 am Schnittpunkt mit der Innenfläche der zylinderförmigen Sintermatrix 16, zu einer durch diesen Punkt verlaufenden Radialen, einen Winkel von 55° auf. Der Strömungsweg der Kühlluft von der Eintrittsöffnung 17 zu Austrittsöffnung 18 ist mit den Stromlinien 22 versinnbildlicht.In this embodiment, the channels 19 and 20 do not run radially. To avoid pressure losses due to the rotation of the air coming from the fan (not shown in detail), the sinter matrix walls 7 at the intersection with the inner surface of the cylindrical sinter matrix 16 have an angle of 55° to a radial line running through this point. The flow path of the cooling air from the inlet opening 17 to the outlet opening 18 is symbolized by the streamlines 22.
Ist der gesinterte Kühlkörper in der in Fig. 2 dargestellten Zylinderringform an einem zu kühlenden rotierenden Gegenstand montiert, wirkt er selbst als Gebläse, wobei er durch die Eintrittsöffnung 17 die Kühlluft ansaugt und über die Austrittsöffnung 18 am Umfang der kreisringförmigen Sintermatrix 16 ausbläst. Gegebenenfalls kann auf eine zusätzliche Zwangsbelüftung des Kühlkörpers in diesem Fall verzichtet werden.If the sintered heat sink in the cylindrical ring shape shown in Fig. 2 is mounted on a rotating object to be cooled, it itself acts as a fan, sucking in the cooling air through the inlet opening 17 and blowing it out through the outlet opening 18 on the circumference of the circular sinter matrix 16. If necessary, additional forced ventilation of the heat sink can be dispensed with in this case.
Fig. 3 zeigt ein Detail einer auf der Grundplatte 1 eines gesinterten Kühlkörpers angeordneten keilförmigen Sintermatrixwand 23. DieFig. 3 shows a detail of a wedge-shaped sinter matrix wall 23 arranged on the base plate 1 of a sintered heat sink. The
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Wärmeleitung dieser Sintermatrixwand 23 ist durch diese Keilform verbessert. Entsprechend der größeren Dicke an der Anschlußstelle der Sintermatrixwand 23 zur Grundplatte 1 ist dort das Wärmeleitvermögen der Sintermatrixwand 23 größer und zugleich die Wärmeabführung in diesem Bereich reduziert. Die Dimensionierung der Wandstärke erfolgt so, daß in dem von der Grundplatte 1 abgewandten Teil der Sintermatrixwand 23, entsprechend den Gegebenheiten die Wärmeleitung und Wärmeabgabe sich etwa das Gleichgewicht halten. In den der Grundplatte 1 näher liegenden Teilen der Sintermatrixwand 23 überwiegt die Wärmeleitung die Wärmeabführung.The thermal conduction of this sinter matrix wall 23 is improved by this wedge shape. Due to the greater thickness at the connection point of the sinter matrix wall 23 to the base plate 1, the thermal conductivity of the sinter matrix wall 23 is greater there and at the same time the heat dissipation in this area is reduced. The wall thickness is dimensioned in such a way that in the part of the sinter matrix wall 23 facing away from the base plate 1, the thermal conduction and heat dissipation are approximately in balance according to the circumstances. In the parts of the sinter matrix wall 23 closer to the base plate 1, thermal conduction outweighs heat dissipation.
Fig. 4 zeigt ein Detail einer auf der Grundplatte 1 eines gesinterten Kühlkörpers angeordneten Sintermatrixwand 24. Diese Sintermatrixwand 24 ist in vier Bereiche 25 bis 28 unterteilt. In jedem dieser Bereiche 25 bis 28 wird ein Sinterpulver mit unterschiedlichem Partikeldurchmesser benutzt. Dabei ist in dem Bereich 25 das Sinterpulver mit der geringsten Partikelgröße und in den anschließenden Bereichen 26, 27 und 28 Sinterpulver mit jeweils größeren Partikeln angeordnet. Das optimale Sinterpulver für den im Anwendungsfall vorhandenen Luftdruck, ist das Sinterpulver mit den größten Partikeln im Bereich 28. Das heißt, daß der Partikeldurchmesser für diesen Bereich 28 so gewählt wird, daß Wärmeleitung und Wärmeabgabe sich etwa das Gleichgewicht halten. Weil bei Sinterpulver mit geringerem Partikeldurchmesser die Porosität sinkt, damit der Strömungswiderstand für die Kühlluft und die Wärmeleitung größer wird, überwiegt in den Bereichen 26 bis 28 die Wärmeleitung gegenüber der Wärmeabfuhr. Dadurch kann die Sintermatrixwand 24 höher ausgelegt werden, als eine vergleichbare Sintermatrixwand mit einheitlichen großen Partikeln.Fig. 4 shows a detail of a sinter matrix wall 24 arranged on the base plate 1 of a sintered heat sink. This sinter matrix wall 24 is divided into four areas 25 to 28. In each of these areas 25 to 28, a sinter powder with a different particle diameter is used. The sinter powder with the smallest particle size is arranged in area 25 and sinter powder with larger particles is arranged in the adjoining areas 26, 27 and 28. The optimal sinter powder for the air pressure present in the application is the sinter powder with the largest particles in area 28. This means that the particle diameter for this area 28 is selected so that heat conduction and heat dissipation are approximately in balance. Because the porosity decreases with sintering powder with a smaller particle diameter, so that the flow resistance for the cooling air and the heat conduction increases, heat conduction predominates over heat dissipation in the areas 26 to 28. This means that the sintering matrix wall 24 can be designed higher than a comparable sintering matrix wall with uniformly large particles.
Fig. 5 schließlich zeigt ein Detail eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers bei dem die auf der Grundplatte 1 angeordneten Sintermatrixwand 2 9 in vier Schichten 30 bis 33 unterteilt ist. In jeder einzelnen Schicht ist das Sinterpulver in unterschiedlichem Grad miteinander versintert. Der optimale Grad der Versinterung liegt etwa vor, wenn die Partikel des Sinterpulvers über Sinterhälse miteinander verbunden sind, die etwa 30 % des Partikeldurchmesser ausmachen.Finally, Fig. 5 shows a detail of a heat sink according to the invention in which the sinter matrix wall 2 9 arranged on the base plate 1 is divided into four layers 30 to 33. In each individual layer, the sinter powder is sintered together to a different degree. The optimal degree of sintering occurs when the particles of the sinter powder are connected to one another via sinter necks, which make up about 30% of the particle diameter.
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Dieser Grad der Versinterung wird für den Bereich 33 gewählt. Bei entsprechender Auslegung von Partikelgröße und der Dicke der Sintermatrixwand 29, entsprechend im Anwendungsfall vorhandenen Luftdruck, sind in diesem Bereich 33 dann Wärmeleitung und Wärmeabgabe etwa gleich groß. In den Bereichen 30 bis 32 ist der Grad der Versinterung der Partikel größer. So weisen im Bereich 32 die Sinterhälse einen Durchmesser von 60 % des Partikeldurchmessers auf. Im Bereich 31 bilden jeweils zwei bis drei, im Bereich 30 vier bis fünf Partikel ein Konglomerat. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung überwiegt in den Bereichen 30 bis 32 die Wärmeleitung gegenüber der Wärmeabfuhr, weil bei sinkender Porosität der Strömungswiderstand steigt und die Wärmeleitung verbessert wird.This degree of sintering is selected for area 33. With the appropriate design of particle size and the thickness of the sinter matrix wall 29, corresponding to the air pressure present in the application, heat conduction and heat dissipation are then approximately equal in this area 33. In areas 30 to 32, the degree of sintering of the particles is greater. In area 32, the sinter necks have a diameter of 60% of the particle diameter. In area 31, two to three particles form a conglomerate, and in area 30, four to five particles form a conglomerate. In this embodiment of the invention, too, heat conduction predominates over heat dissipation in areas 30 to 32, because as porosity decreases, flow resistance increases and heat conduction is improved.
Mit jeder dieser Ausführungsformen kann die Bauhöhe und damit die Gesamtleistung des erfindungsgemäßen gesinterten Kühlkörpers erhöht werden.With each of these embodiments, the overall height and thus the overall performance of the sintered heat sink according to the invention can be increased.
Fig. 6 zeigt die Lufteintrittsseite 3 eines kubisch ausgeführten gesinterten Kühlkörpers. Vor der Lufteintrittsseite 3 ist eine Kammer 34 zur Entspannung und Verteilung der Kühlluft angesintert. Die Kammer 34 weist für den Anschluß einer Druckluftleitung eine angesintert Pneumatik-Kupplung 35 auf. Diese Anordnung, kann in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Sie ist, trotz relativ hoher Aufwendungen für die erforderliche technologische Ausrüstung, kostengünstig herstellbar.Fig. 6 shows the air inlet side 3 of a cubic sintered heat sink. A chamber 34 for the expansion and distribution of the cooling air is sintered in front of the air inlet side 3. The chamber 34 has a sintered pneumatic coupling 35 for the connection of a compressed air line. This arrangement can be manufactured in one operation. Despite the relatively high expenditure for the necessary technological equipment, it can be manufactured inexpensively.
Die Erfindung ist nicht an diese Ausführungsbeispiele gebunden. Es ist auch möglich, die einzelnen Ausführungsformen miteinander zu kombinieren und den erfindungsgemäßen Kühlkörper zur Erwärmung von Bauteilen einzusetzen.The invention is not bound to these embodiments. It is also possible to combine the individual embodiments with one another and to use the heat sink according to the invention to heat components.
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